文昌油田井筒的腐蝕規(guī)律

鄭華安，王佳偉，溫寧華，王修云，周玉霞，王成龍，李大朋

（1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，湛江524057；2.安科工程技術(shù)研究院（北京）有限公司，北京100083）

隨著油田的發(fā)展，生產(chǎn)時間的延長，井筒的腐蝕越來越重，導致井下管柱穿孔、擠壓變形、斷落，失效事件頻發(fā)，這不僅給檢修作業(yè)帶來很多復雜的情況，也嚴重影響油井的正常生產(chǎn)［1］。因此，井筒腐蝕問題已成為制約油田經(jīng)濟發(fā)展的重大問題之一，造成井筒腐蝕的主要因素有CO2分壓、溫度、介質(zhì)組分、p H、流速、材料表面膜和載荷等［2-3］。文昌油田的井筒材料主要為含鉻鋼，研究表明鋼中添加一定量的Cr以后，材料的抗CO2腐蝕能力會有所提高［4］，但是目前對于含鉻材料在高溫高壓，高二氧化碳環(huán)境中腐蝕性能的研究較少。并且文昌油田主要工況環(huán)境特點是二氧化碳含量較高（體積分數(shù)約為80%），各井的含水率均在85%（質(zhì)量分數(shù)，下同）以上，井筒處于復雜苛刻的腐蝕環(huán)境中。本工作通過檢測全井深井筒的腐蝕變化規(guī)律，對1Cr和13Cr材料在井下復雜環(huán)境中的耐蝕性進行研究，明確溫度、二氧化碳分壓和流速變化對1Cr和13Cr材料的腐蝕影響規(guī)律，以期對文昌油田井筒的防腐蝕提供指導。

1 試驗

采用多臂井徑儀（MIT），通過測量臂與管壁緊密接觸可以對管壁進行精確測量。MIT可以對管壁腐蝕、裂紋、井壁結(jié)垢、缺陷等進行檢測，通過軟件程序，將測井數(shù)據(jù)進行三維展示，觀察管壁損傷情況。

試驗材料選用與井筒材料一致的1Cr和13Cr鋼，將試驗材料加工成50 mm×13 mm×3 mm的掛片試樣。試驗前，用砂紙（200～800號）將試樣逐級打磨，清洗、除油、冷風吹干后稱量待用。試驗溶液為模擬井下油水溶液。

利用高溫高壓反應(yīng)釜進行腐蝕模擬試驗。向釜內(nèi)加入已除氧的腐蝕溶液，加蓋密封，通入CO2繼續(xù)除氧2 h，以便除去安裝過程中混入的氧氣。升高溫度，調(diào)節(jié)CO2壓力，使釜內(nèi)壓力達到試驗所需壓力值。試驗參數(shù)設(shè)置如下：溫度為50，75，90，100；流速為0.26，0.47，1.25；二氧化碳分壓為0.1，0.6，1，3 MPa。試驗 結(jié) 束 后，用 酸 洗 液 （由500 mL鹽酸、3.5 g C6H12N4和500 mL去離子水配制而成）對試樣進行酸洗，除去腐蝕產(chǎn)物后，用失重法計算腐蝕速率。

2 結(jié)果與討論

2.1 MIT檢測

文昌油田屬于高含二氧化碳高含水的特殊工況，油井生產(chǎn)管材為1Cr鋼+13Cr鋼+1Cr鋼，即封隔器上下約100～150 m處采用13Cr鋼，其他部分采用1Cr鋼，在井深約1 147 m處安裝有電泵，電泵工作會帶動流體流動，對井筒產(chǎn)生沖刷作用；所以整體井筒所處環(huán)境較為復雜，存在不同的腐蝕危險點，如表1所示。圖1為MIT測井三維成像圖，井筒顏色由綠色到黃色再到紅色，表示腐蝕越來越嚴重。由圖1可見：900 m以上井段和1 130 m以下井段主要為黃色，腐蝕較為明顯，并且井筒上部腐蝕較為均勻，屬于全面腐蝕，下部腐蝕為局部腐蝕。井深900 m處為1Cr鋼和13Cr鋼的連接位置，此處腐蝕嚴重，這可能是由于兩種材料的交接處發(fā)生了電偶腐蝕；井深1 147～1 186 m安裝有電泵，井筒電泵的存在會導致流體流速發(fā)生變化，進而對井筒腐蝕產(chǎn)生影響；井底可能由于壓力的變化導致二氧化碳分壓的變化產(chǎn)生腐蝕，具體井筒腐蝕影響規(guī)律需通過試驗?zāi)M驗證。

表1 全井出現(xiàn)腐蝕風險的位置Tab.1 Locations of corrosion risks in the entire well

圖1 MIT測得完井的三維圖Fig.1 3D diagrams of the completion well measured by the MIT method

2.2 高溫高壓模擬試驗

2.2.1溫度對腐蝕的影響

由圖2可見：隨著溫度的升高，試樣的腐蝕速率先升高后逐漸下降，在75℃時候最為嚴重，腐蝕速率為2 mm／a。根據(jù)腐蝕工程協(xié)會（NACE）標準RP-0775-1991規(guī)定，屬于嚴重腐蝕。據(jù)報道：當環(huán)境溫度為60℃左右時，碳鋼與低合金鋼管材在高二氧化碳環(huán)境中的腐蝕產(chǎn)物主要為FeCO3，F(xiàn)eCO3溶解度具有負的溫度系數(shù)，隨溫度升高而降低；當環(huán)境溫度為60～90℃時，腐蝕產(chǎn)物為厚而松的FeCO3，腐蝕產(chǎn)物晶粒尺寸較大且堆垛疏松，晶粒之間的孔隙為溶液中的腐蝕介質(zhì)提供通道，介質(zhì)通過孔隙到達基體表面，使得基體腐蝕嚴重［5］；隨著溫度繼續(xù)升高，表面產(chǎn)物膜由FeCO3膜變成Fe3O4+FeCO3膜，膜層中Fe3O4量增加，產(chǎn)物膜附著力增強，對試樣具有一定的保護能力。離井口約-900 m處井段的服役溫度為70～80℃，處于腐蝕溫度敏感區(qū)域，容易發(fā)生腐蝕，這與MIT檢測數(shù)據(jù)一致。

圖2 CO2分壓為3 MPa，含水率為90%條件下，試樣在不同溫度試驗溶液中的腐蝕速率Fig.2 Corrosion rates of samples in different temperature test solutions with CO2 partial pressure of 3 MPa and water content of 90%

2.2.2流速對腐蝕的影響

由表2可見：隨著流速的增加，1Cr鋼的腐蝕速率明顯增加。材料在溶液中發(fā)生腐蝕會在表面形成一層膜，液體的流動產(chǎn)生沖刷作用破壞試樣表面腐蝕產(chǎn)物膜的完整性，使得產(chǎn)物膜破損，導致金屬基體重新裸露在腐蝕介質(zhì)中，繼續(xù)被腐蝕，如此循環(huán)往復，加速了材料在溶液中的損傷。在電泵位置，介質(zhì)的流速相對比較高，會對井筒壁面產(chǎn)生一定的剪切力，流速越高剪切力越大，對井筒表面腐蝕產(chǎn)物膜破壞越嚴重，腐蝕也會越嚴重。

2.2.3二氧化碳分壓對腐蝕的影響

由圖3可見：隨著二氧化碳分壓的增大，1Cr和13Cr鋼的腐蝕速率越來越大；在實際工況中，隨著井深的增加，氣井壓力增加，導致井底二氧化碳分壓增大，所以井筒材料的腐蝕也會增大。

表2 91.5℃，CO2分壓為0.1 MPa條件下，1Cr鋼試樣在不同流速試驗溶液中腐蝕168 h后的平均腐蝕速率Tab.2 The average corrosion rates of 1Cr steel samples after corrosion for 168 h in different flow rate test solutions at 91.5℃and CO2 partial pressure of 0.1 MPa

圖3 溫度為72℃，含水率75%條件下，試樣在不同CO2分壓環(huán)境中的腐蝕速率Fig.3 Corrosion rates of samples under the condition of different partial pressure of carbon dioxide at 72℃and 75%moisture content

1Cr和13Cr鋼兩種材料在發(fā)生電偶腐蝕時，1Cr鋼的腐蝕速率明顯大于13Cr鋼的，這兩種材料中由于Cr含量的差異，導致試樣表面生成的腐蝕產(chǎn)物膜存在差異，金屬接觸表面形成了一定的電位差，1Cr鋼作為陽極，13Cr鋼作為陰極，電位差的存在加快了陽極材料1Cr鋼的損傷，發(fā)生嚴重的局部腐蝕，這與MIT檢測結(jié)果：井深903～927 m和1 109～1 145 m處，1Cr鋼的腐蝕嚴重相一致。井筒在井深900 m和1 145 m段腐蝕主要受1Cr和13Cr鋼發(fā)生電偶腐蝕的影響。

由圖4可見：二氧化碳分壓為1 MPa時，1Cr鋼表面的腐蝕坑小而密集，當二氧化碳分壓為3 MPa時，腐蝕由全面腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榫植扛g，局部腐蝕區(qū)與其他區(qū)域電位差的存在導致試樣表面的局部腐蝕明顯增大變深，這與MIT測試結(jié)果相一致，井底1Cr鋼主要發(fā)生局部腐蝕。

圖5為1Cr和13Cr鋼發(fā)生電偶腐蝕的宏觀形貌?？梢钥闯?，1Cr鋼表面的腐蝕情況比13C鋼表面的嚴重得多，二氧化碳分壓為3 MPa時，1Cr鋼明顯發(fā)生了局部腐蝕，表面局部損傷范圍較大，并且有黑色腐蝕產(chǎn)物（FeCO3和氧化類鐵）附著。

圖4 溫度為72℃，含水率75%條件下，1Cr鋼在不同CO2分壓環(huán)境中腐蝕后的表面宏觀形貌Fig.4 Macro surface morphology of 1Cr steel under the condition of different partial pressure of carbon dioxide at 72℃and 75%moisture content

圖5 不同二氧化碳分壓條件下，1Cr鋼和13Cr鋼的電偶腐蝕形貌Fig.5 Galvanic corrosion morphology of 1Cr steel and 13Cr steel under the condition of different carbon dioxide partial pressure

3 結(jié)論

（1）從井口至井底，井筒腐蝕變化規(guī)律為：井口至井深900 m處腐蝕嚴重，井深900～1 100 m處腐蝕較為輕微，井深1 100 m至井底處腐蝕變得明顯，并且發(fā)生局部腐蝕。

（2）隨著溫度的升高，1Cr和13Cr鋼的腐蝕速率先升高后降低，在75℃時腐蝕最嚴重；隨著流速的增加，1Cr和13Cr鋼的腐蝕速率增大。隨著二氧化碳分壓的升高，1Cr鋼的腐蝕速率增大，腐蝕坑變大變深，腐蝕由全面腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榫植扛g。1Cr鋼和13Cr鋼發(fā)生電偶腐蝕時，1Cr鋼表面發(fā)生嚴重的局部腐蝕。

（3）井筒在井深900 m以上的腐蝕主要受溫度影響；井深900～930 m和1 100～1 145 m處主要發(fā)生電偶腐蝕；井深1 145 m以上的腐蝕主要受流速和二氧化碳分壓影響。